视频滤波器设计

摘要： 本文介绍用于视频产品的抗混叠滤波器和视频重建滤波器的设计。

关键词： 视频；滤波器；抗混叠；视频重建

带外杂散信号所引起的混叠现象是模/数转换器(ADC)应用中所面临的关键问题，如果没有适当的滤波处理，这些信号会严重影响数据转换系统的性能指标。因此，任何数据采样系统都需要在ADC之前利用抗混叠滤波器保持低于奈奎斯特频率的信号，消除混叠失真；当然，利用DAC恢复信号时，还需要输出重建滤波器消除采样带来的混叠失真和噪声，并补偿DAC产生的衰减。对于录像机、等离子电视等需要对视频信号进行量化的视频设备，同样需要这两种类型的滤波器。
视频滤波器通常为低通滤波器，都要求“线性相位”特性，相位线性度决定了包络延时或群延时，平坦的群延时表明所有频率通过滤波器后的延迟时间相同，有利于信号波形的恢复。除了对滤波器本身相频特性的要求外，不同视频通道的滤波器还要保持尽可能一致的相位延时。具体指标取决于应用和视频制式(NTSC、PAL/DVB、ITU、SMPTE和VESA)，例如，复合NTSC/PAL制式只有一路信号，ITU-470中给出了对群延时以及群延时变化的要求，这些规定比较宽松，而ITU-601抗混叠滤波器的模板要求要严格得多。

抗混叠滤波器设计

抗混叠滤波器放置在ADC或视频解码器之前，用于限制模拟视频信号的带宽，减少带外噪声。不同的视频显示分辨率对滤波器截止频率的要求不同，从标清电视到高清电视，0.1dB带宽范围大概在5MHz到30MHz。这类滤波器通常要求尽可能陡的过渡带，以滤除截止频率以外的所有频谱成分。可以选择运算放大器构建抗混叠滤波器，例如：具有卓越的瞬态响应及大信号带宽的MAX4450、MAX4390等。为了简化设计，并保证视频滤波器通道间的延时匹配度，Maxim还推出了MAX7469、MAX7472视频抗混叠滤波器。

图1给出了MAX7472的内部结构和典型连接，该芯片由三路输入复用缓冲器、钳位电路、可编程低通滤波器以及输出缓冲器构成，微控制器通过I2C接口设置电路性能和功能，其中包括：复用器配置、钳位电压、滤波器的截止频率、同步源(内部/外部)以及是否旁路滤波器。截止频率的设置范围在5MHz至34MHz，调节级数为256，适用于高清(HD)或标清(SD)电视(TV)系统，支持1080i、720p、720i、480p和480i扫描系统及计算机格式。输出缓冲器能够以2VP-P信号摆幅驱动标准的150W负载。输入为交流耦合，输出可以为直流或交流耦合。内部视频滤波器提供最佳响应特性，具有陡峭的过渡带，以获得足够宽的通频带以及出色的阻带抑制。另外，经过优化的滤波器可提供极低的过冲时域响应。通过优化频率响应可改善系统的整体性能，系统优化需要考虑的因素很多，其中最重要的是系统中ADC或视频解码器的采样速率。对于过采样系统，采样速率远远高于通带频率响应。处于通带和采样频率之间的频率成份包含噪声，通过设置滤波器的截止频率使其仅通过有用信号频率，滤除噪声，从而得到较高的系统信噪比。图2所示电路为MAX7472所提供的频率响应和相位特性，通道之间可以保持一致的增益、相位匹配度。

图1  SDTV、HDTV抗混叠滤波器

图2  图1所示电路的频响特性

视频重建滤波器设计

视频重建滤波器放置在数/模转换器之后，考虑到DAC保持功能的滤波作用，重建滤波器对选择性的要求不是很高，但需提供进一步的增益，补偿DAC及后端负载的衰减。

MAX7462是单通道、标准清晰度、集成视频重建滤波器和缓冲器，能够为视频解码DAC的模拟CVBS视频输出提供信号滤波和缓冲，适用于机顶盒、硬盘记录仪、DVD播放器和数字VCR等应用。内部电路由低通滤波器和输出视频缓冲器组成(图3)，低通滤波器为四阶巴特沃斯滤波器，提供5MHz平坦通带，在27MHz频点具有-43dB(典型值)衰减(图4)，优化于NTSC、PAL和SDTV制式。输出缓冲器能够以2VP-P信号驱动两路150Ω视频负载，增益可通过GAIN引脚设置在+6dB或+9.5dB。输出级可以驱动交流负载或直接驱动视频负载，无需使用较大的输出耦合电容。直流耦合情况下，输出被箝位至适当的直流电平，使其满足数字电视接口的规范。输出通常与75Ω背向匹配串联电阻相连，电阻另一端接视频电缆。由于这种配置对信号的2倍衰减，视频电缆上的电压总是小于1V，符合工业标准视频要求，如数字电视标准(该标准允许视频电缆上最高具有1V的直流电压)和欧洲的SCART标准(该标准允许视频电缆上最高具有2V的直流电压)。视频缓冲器也可以驱动一路交流耦合视频负载，选用220μF的输出电容可以获得良好的视频性能。

图3  集成视频重建滤波器，用于SDTV

图4  图3所示电路频响特性

电路板布局

由于视频滤波器处理的是高频信号，对电路板布局要求较高。不良的电路板布局很容易造成系统的不稳定与振荡。使用大面积的地层有助于改善性能，靠近电源输入引脚安装0.1mF或更大的旁路电容。如果PCB布线能够设计75W受控阻抗的传输线，端接电阻可以离器件稍远一些。要尽可能减小寄生电容，以避免降低滤波器的高频性能。Maxim的许多视频器件在封装底部带有裸焊盘，该焊盘通常在内部电气连接至地，布线时将其焊接至接地层，可以获得较好的散热能力。

参考文献：
1.  MAX7472数据手册, Maxim公司
2.  MAX7462数据手册, Maxim公司